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1、10申请公布号CN102003159A43申请公布日20110406CN102003159ACN102003159A21申请号201010555836X22申请日20101118E21B33/13820060171申请人四机赛瓦石油钻采设备有限公司地址434024湖北省荆州市荆州区西环路72发明人唐军叶纪东陈春霞沈明祥张金霞74专利代理机构武汉天力专利事务所42208代理人吴晓颖冯卫平54发明名称固井水泥混浆作业的自动控制方法57摘要本发明涉及一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，在油田固井作业时用于水泥混浆作业的自动控制，该方法主要是依靠液位计采集混浆槽内的液位，排出流量计采集泥浆排量，微处理。
2、器比较实际液位和设定液位，计算出需要的清水阀阀位，通过控制清水阀电磁阀来控制清水阀阀位编码器从而控制清水阀，进而自动控制水泥浆液位。本发明能够进行液位自动控制，与泥浆密度自动控制方法相结合使用，便于动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页CN102003171A1/2页21固井水泥混浆作业的自动控制方法，包括清水流量计、液位计、排出流量计、控制清水吸入流量的清水阀，其特征在于按下列步骤控制泥浆液位11采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号，并将其传送给微处理器；12比较泥浆的设定液位和实际液。
3、位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液位偏差为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化值；13由液位偏差变化率来计算清水流量变化率XDOT，由液位偏差计算达到设定液位应增清水流量QADD，由实际泥浆排量计算清水流量QSLRY；14通过计算出的清水流量变化率XDOT、应增清水流量QADD及清水流量QSLRY的总和求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量QNEW；15计算设定清水阀位，设定清水阀位设定清水流量|实际进水能力，其中实际进水能力实际清水流量|实际清水阀位；其中实际清水流量由清水流量计采集获得；16由微处理器根据设定清水阀位，调节清水阀位输出控制。
4、电压控制清水阀的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；17采集调节后设定清水流量QNEW，根据变化情况重复上述步骤11至步骤16反馈调整清水阀位输出控制电压。2根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于步骤17中所述采集调节后设定清水流量QNEW，根据变化情况重复步骤11至步骤16反馈调整清水阀位输出控制电压，步骤如下21计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化设定清水流量1秒前设定清水流量；22判断设定清水流量变化是否大于1BBL，判断结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤11至16，更新清水阀位输出控制电压；判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列。
5、步骤之一，22A如果液位偏差大于15INCH时，持续轮序执行步骤11至16，更新清水阀位输出控制电压；22B如果液位偏差小于05INCH时，保持当前清水阀位输出控制电压；22C如果液位偏差大于05INCH且小于10INCH时，每10秒轮序执行一次步骤11至16，更新一次清水阀位输出控制电压；22D如果液位偏差大于10INCH且小于15INCH时，每1秒轮序执行一次步骤11至16，更新一次清水阀位输出控制电压。3根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述液位偏差变化率通过以下公式计算液位偏差变化率液位偏差1秒前的液位偏差。4根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方。
6、法，其特征在于所述清水流量变化率XDOT通过以下公式计算XDOT液位偏差变化率微分系数液面面积60|2312干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。权利要求书CN102003159ACN102003171A2/2页35根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述应增清水流量QADD通过以下公式计算QADD设定液位实际液位液面面积60|231时间T干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。6根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述清水流量QSLRY通过以下公式计算QSLRY实际泥浆排量42干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。
7、。7根据权利要求1所述的固井水泥混浆作业的自动控制方法，其特征在于所述设定清水流量QNEW通过以下公式计算QNEWXDOTQADDQSLRY液位偏差变化率微分系数液面面积60|2312干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度设定液位实际液位液面面积60|231时间T干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度实际泥浆排量42干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。权利要求书CN102003159ACN102003171A1/5页4固井水泥混浆作业的自动控制方法技术领域0001本发明涉及一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，在油田固井作业时用于水泥混浆作业的自动控制。背景技术000。
8、2目前，固井水泥混浆作业出现高压力、大排量作业、高精度密度控制等新的要求，中国专利申请2006100183968已公开了如何精确测量控制水泥浆密度的技术方案，如何在此基础上自动控制水泥浆液位，能够在提高自动化程度前提下减轻混浆作业强度、降低混浆作业难度，成为当前固井水泥混浆作业新的课题。发明内容0003本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足之处，提供一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，它能够进行液位自动控制，与泥浆密度自动控制方法相结合使用，便于动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程。0004固井水泥混浆作业的自动控制方法，包括清水流量计、液位计、排出流量计、控制清水吸入流量的清水阀，其独特之。
9、处在于按下列步骤控制泥浆液位000511采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号，并将其传送给微处理器；000612比较泥浆的设定液位和实际液位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液位偏差为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化值；000713由液位偏差变化率来计算清水流量变化率XDOT，由液位偏差计算达到设定液位应增清水流量QADD，由实际泥浆排量计算清水流量QSLRY；000814通过计算出的清水流量变化率XDOT、应增清水流量QADD及清水流量QSLRY的总和求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量QNEW；000915计算设定清水阀位。
10、，设定清水阀位设定清水流量|实际进水能力，其中实际进水能力实际清水流量|实际清水阀位；其中实际清水流量由清水流量计采集获得；001016由微处理器根据设定清水阀位，调节清水阀位输出控制电压控制清水阀的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；001117采集调节后设定清水流量QNEW，根据变化情况重复上述步骤11至步骤16反馈调整清水阀位输出控制电压。0012在上述技术方案中，步骤17中所述采集调节后设定清水流量QNEW，根据变化情况重复步骤11至步骤16反馈调整清水阀位输出控制电压，步骤如下001321计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化设定清水流量1S前设定清水流量；0014。
11、22判断设定清水流量变化是否大于1BBL，说明书CN102003159ACN102003171A2/5页50015判断结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤11至16，更新清水阀位输出控制电压；0016判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列步骤之一，001722A如果液位偏差大于15INCH时，持续轮序执行步骤11至16，更新清水阀位输出控制电压；001822B如果液位偏差小于05INCH时，保持当前清水阀位输出控制电压；001922C如果液位偏差大于05INCH且小于10INCH时，每10秒轮序执行一次步骤11至16，更新一次清水阀位输出控制电压；002022D如果液位偏差大于10。
12、INCH且小于15INCH时，每1秒轮序执行一次步骤11至16，更新一次清水阀位输出控制电压。0021在上述技术方案中，所述液位偏差变化率通过以下公式计算0022液位偏差变化率液位偏差1秒前的液位偏差。0023在上述技术方案中，所述清水流量变化率XDOT通过以下公式计算0024XDOT液位偏差变化率微分系数液面面积60|2312干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。其中微分系数通常取值05。0025在上述技术方案中，所述应增清水流量QADD通过以下公式计算0026QADD设定液位实际液位液面面积60|231时间T干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。其中时间T通常取值30秒。
13、。0027在上述技术方案中，所述清水流量QSLRY通过以下公式计算0028QSLRY实际泥浆排量42干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。0029在上述技术方案中，所述设定清水流量QNEW通过以下公式计算0030QNEWXDOTQADDQSLRY液位偏差变化率微分系数液面面积60|2312干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度设定液位实际液位液面面积60|231时间T干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度实际泥浆排量42干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。0031本发明提供了一种固井水泥混浆作业的自动控制方法，它能够进行密度自动控制、液位自动控制和数据发送。
14、，从而动态、精确地自动控制水泥混浆作业过程，并且真实、全面地记录作业时的作业状态与作业数据。本发明的优点是1在液位变化时，能及时准确地调整清水比例阀，以保证液位平稳。2数据记录和实时传送功能便于作业中和作业后的数据分析。附图说明0032图1是固井水泥混浆的控制系统示意图。0033图2是本发明固井水泥混浆作业的自动控制方法实施例流程图。具体实施方式0034现有固井水泥混浆作业系统一般由柴油发动机提供动力，灰罐中的水泥干灰通过说明书CN102003159ACN102003171A3/5页6管线流到混浆槽的下灰阀，经清水泵抽到轴流式混合器内高速喷射的水流形成真空，吸入水泥干灰与清水混合。注入清水水流。
15、及干灰的量可由清水比例阀简称清水阀、干灰计量阀简称下灰阀来调节。经过循环泵作用，干灰混合物以循环方式进行多次掺混，从而使水泥浆密度符合设定密度，满足固井工艺要求。混合好的水泥浆由混浆槽出口排出。由于混浆槽有一定的混浆容量，所以本发明提出在密度自动控制同时，进行泥浆的液位自动控制，以免调配干灰和清水比例时，超出了需要的设定液位。而且控制液位可以精确的控制固井水泥浆的总量，保证固井需要。这种自动控制可以通过实时采集作业过程中的实际液位数据，再根据需要的设定液位调节清水比例阀来实现。具体实施时，可以通过在混浆槽中设置液位计实现采集实际液位数据，微处理器处理采集得到的数据后，输出控制电压控制清水比例阀。
16、的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水比例阀的阀位。0035如图1所示，实施固井水泥混浆的自动控制系统包括微处理器1，人机界面2，下灰阀阀位编码器3，清水阀阀位编码器4，密度计5，密度计变送器51，清水流量计6，液位计7，下灰阀电磁阀8，清水阀电磁阀9；柱塞泵压力传感器10、11，排出流量计12、13；下灰阀手动/自动切换开关14，清水阀手动/自动切换开关15。其中微处理器1通过ETHERNET/IP端口与人机界面2实现人机通讯，方便远程输入作业参数和实时工序操控。0036人机界面2可以根据需要设置功能按键供工作人员使用，例如在人机界面2上通过按键在校准屏面进行校准的相关设置；在人机界面。
17、2上通过按键在主屏面输入数据记录编号；在人机界面2上通过按键作业设置屏面设置作业参数；在人机界面2上通过按键在主屏面上开始作业。0037通过软件程序设置，微处理器1可以控制混浆作业自动按以下步骤进行0038液位计7采集混浆槽内的液位，传动箱的控制模块TCM中的排出流量计12、13采集泥浆排量，微处理器1比较实际液位和设定液位，计算出需要的清水阀的阀位，通过控制清水阀电磁阀9来控制清水阀阀位编码器4从而控制清水阀，从而自动控制水泥浆液位；0039微处理器1通过密度计5和密度计变送器51采集密度信号，清水流量计8采集到的清水流量信号，计算出需要的下灰阀的阀位，通过控制下灰阀电磁阀8来控制下灰阀编码。
18、器3从而控制下灰阀，从而自动控制系统保持水泥浆密度；0040柱塞泵压力传感器10、11分别采集左右三缸柱塞泵压力；0041在启动作业的同时，采集各数据并将其传送给微处理器1，并在人机界面2上显示；操作员通过人机界面2的按键根据工艺要求输入标记；微处理器1将自动控制下灰电磁阀8、下灰阀、下灰阀编码器3、清水阀电磁阀9、清水阀、清水阀阀位编码器4；在人机界面2上通过按键发出停止作业命令，停止作业，从而对水泥混浆作业进行精确、动态、全面的自动控制。0042本发明提供的调节清水阀具体步骤如下，004311采集泥浆的实际液位信号、清水流量信号、泥浆排量信号，并将其传送给微处理器；004412比较泥浆的设。
19、定液位和实际液位，得到液位偏差和液位偏差变化率，所述液位偏差为设定液位与实际液位的差值，所述液位偏差变化率为单位时间内液位偏差的变化值；说明书CN102003159ACN102003171A4/5页7004513由液位偏差变化率来计算清水流量变化率XDOT，由液位偏差计算达到设定液位应增清水流量QADD，由实际泥浆排量计算清水流量QSLRY；004614通过计算出的清水流量变化率XDOT、应增清水流量QADD及清水流量QSLRY的总和求得达到泥浆设定液位所需的清水流量，即设定清水流量QNEW；004715计算设定清水阀位，设定清水阀位设定清水流量|实际进水能力，其中实际进水能力实际清水流量|实。
20、际清水阀位；004816由微处理器根据设定清水阀位，调节清水阀位输出控制电压控制清水阀的电磁阀，并通过该电磁阀启动驱动装置改变清水阀的阀位；004917采集调节后设定清水流量QNEW，根据变化情况重复上述步骤11至步骤16反馈调整清水阀位输出控制电压。0050本发明还提供了进一步方案，针对不同具体情况设计了反馈调整的频率，以避免不必要的资源浪费所述收集调节后设定清水流量QNEW，根据变化情况重复上述步骤反馈调整清水阀位输出控制电压，采用以下方式实现，005121计算设定清水流量变化值，设定清水流量变化设定清水流量1秒前设定清水流量；005222判断设定清水流量变化是否大于1BBL，0053判断。
21、结果为是时，在2分钟以内，持续轮序执行步骤11至16，更新清水阀位输出控制电压；0054判断结果为否时，根据液位偏差情况选择执行下列步骤之一，005522A如果液位偏差大于15INCH时，持续轮序执行步骤11至16，更新清水阀位输出控制电压；005622B如果液位偏差小于05INCH时，保持当前清水阀位输出控制电压；005722C如果液位偏差大于05INCH且小于10INCH时，每10秒轮序执行一次步骤11至16，更新一次清水阀位输出控制电压；005822D如果液位偏差大于10INCH且小于15INCH时，每1秒轮序执行一次步骤11至16，更新一次清水阀位输出控制电压。0059其中BBL、IN。
22、CH为国际石油行业常用的英制单位，中文含义为BBL桶和INCH英寸，对应的公制单位为M3/MIN方/分钟及M米。其中1桶015898729方/分钟，1英寸00254米。具体实施时，可以根据需要采用其它方式设定反馈调整的频率，例如改变选择执行步骤22A、22B、22C或22D中的液位偏差条件，或者改变轮序执行一次步骤11至16的时间间隔大小。0060如图2所示，作业开始后，程序进行初始化；开始发送实时数据；然后根据设计输入作业参数；当工作人员按下“开始”键，系统开始记录作业数据；程序启动密度自动控制算法和液位自动控制算法；操作人员在面板上旋动下灰阀手动/自动开关，将下灰阀切换到自动控制方式，计算。
23、机输出控制下灰阀以实现密度自动控制；操作人员在面板上旋动清水阀手动/自动开关，将清水阀切换到自动控制方式，计算机输出控制清水阀以实现液位自动控制；当工作人员按“停止”键停止作业；下灰阀关到最小控制阀位；清水阀关到最小控制阀位；下载历史数据；结束。这种工作人员控制方案需要通过人机界面设计相应按键，本技术领域人员可以根据流程进行设计实现。说明书CN102003159ACN102003171A5/5页80061控制步骤中的密度自动控制部分可以参见中国专利申请2006100183968的公开文本，本实施例不予赘述。0062为了便于实施，本实施例提供了适合石油行业常用单位的液位偏差变化率以及XDOT、Q。
24、SLRY、QADD、QNEW数值的计算方法。1加仑231立方英寸、1立方英尺748加仑、1桶42加仑、1分钟60秒，即1桶/分钟2520加仑/秒。0063所述液位偏差变化率通过以下公式计算出，0064液位偏差变化率液位偏差1秒前的液位偏差。0065所述清水流量变化率XDOT通过以下公式计算出，0066XDOT液位偏差变化率微分系数液面面积60|2312干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度；其中微分系数通常取值05，用户可以在人机界面上输入该值。0067所述应增清水流量QADD通过以下公式计算出，0068QADD设定液位实际液位液面面积60|231时间T干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝。
25、对密度清水密度；其中时间T通常取值30秒，用户可以在人机界面上输入该值。0069所述清水流量QSLRY通过以下公式计算出，0070QSLRY实际泥浆排量42干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。0071所述设定清水流量QNEW通过以下公式计算出，0072QNEWXDOTQADDQSLRY液位偏差变化率微分系数液面面积60|2312干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度设定液位实际液位液面面积60|231时间T干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度实际泥浆排量42干灰绝对密度设定泥浆密度|干灰绝对密度清水密度。说明书CN102003159ACN102003171A1/2页9图1说明书附图CN102003159ACN102003171A2/2页10图2说明书附图CN102003159A。